瀝青混合料再生技術研究進展

任瑞波，范文淼，馮美軍2，徐強，趙品暉

（1.山東建筑大學交通工程學院，濟南 250101；2.齊魯交通材料技術開發有限公司，濟南 250101）

瀝青路面經過多年的使用，在熱氧和紫外線輻射的共同作用下，不可避免地會出現老化問題，嚴重影響了瀝青路面的使用性能及壽命。瀝青發生老化后，如果路用性能滿足不了行車荷載需求，就需要對瀝青路面進行翻修。這不僅會造成資源浪費，而且還會造成環境污染。而對老化后的瀝青進行再生重復利用，是解決這一問題的最有效途徑，其中瀝青混合料的再生技術是當今世界上應用最廣泛的瀝青路面再生方法。使用再生瀝青混合料不但可以降低生產成本，而且能夠節約日益減少的自然資源和保護生態環境。然而，在再生瀝青混合料中大量使用RAP 料是目前面臨的一大挑戰，因為RAP 料中含有大量的老化瀝青，與原始瀝青混合料相比，再生瀝青混合料具有更高的黏度和剛度，其工作性通常較差，難以在現場壓實，并且容易出現開裂、松散和其它與耐久性相關的路面病害，從而降低路面的使用壽命。以往的研究表明，再生劑的加入可以使老化的瀝青恢復到與原始瀝青相似的狀態，從而降低再生瀝青混合料的剛度，使再生瀝青混合料具有更好的路用性能[1]。本文旨在對再生劑和RAP 料在再生瀝青混合料中的應用進行綜述。首先介紹瀝青路面的再生機理，然后介紹再生劑的研究進展，最后對含有高RAP 摻量的再生瀝青混合料的路用性能進行總結，并探究再生劑對高RAP 摻量的再生瀝青混合料性能的影響規律。

1 瀝青的再生機理

瀝青主要來源于石油，是一種具有復雜化學結構的有機材料，具有溶解和沉淀等熱力學可逆過程性質，這種性質決定了其老化行為和再生行為是非常復雜的。瀝青的老化不僅與光和氧氣有關，還包括組分上的遷移變化。隨老化時間的延長，小分子量的化合物逐步向大分子量的化合物轉化，即：芳香分→膠質→瀝青質的轉化過程，各個組分變得不協調，膠體結構發生變化，從而導致瀝青的性能變差。研究表明，瀝青只有在其四組分之間存在適宜的定量關系時才具有良好的路用性能[2]。從化學角度看，再生是瀝青老化的逆過程，再生劑可以用來調整瀝青的化學組成以實現瀝青組分的協調和平衡，使老化后的瀝青恢復到原始使用狀態。以往的研究表明，瀝青再生機理主要包括組分調合理論和高分子溶液相容性理論[3]。其中，組分調合理論是將老化瀝青的組成與原始瀝青進行對比，在老化瀝青中加入損失的組分以協調瀝青中各組分的含量，使瀝青體系處于相對穩定的狀態；高分子溶液相容性理論是將瀝青區別為以大分子瀝青質為溶質和以軟瀝青質為溶劑兩個部分，通過調節減小老化瀝青中軟瀝青質和瀝青質溶解度參數的差值，從而形成穩定性強的高分子溶液體系。

瀝青再生劑是一種主要由飽和分和芳香分組成的含有大量輕質組分的物質，在瀝青混合料的再生過程中，再生劑所起到的作用主要是與舊瀝青間各組分發生重新分配，并吸附、溶解瀝青質和膠質，調合瀝青組成及其流動性，從而改善老化瀝青的使用性能。

再生劑的作用機理主要取決于三個關鍵因素：（1）原始瀝青、再生瀝青和再生劑在瀝青混合料中的分散；（2）再生劑在再生瀝青中的擴散；（3）原始瀝青、再生瀝青和再生劑三者之間的相容性。分散是由物理過程引起的混合，通過機械攪拌作用，再生劑在瀝青混合料中的原始瀝青和再生瀝青之間分散均勻。一般而言，分散程度是拌和時間的函數，拌和時間越長，分散效果越好。擴散是一種物質從較高濃度移動到較低濃度的過程，當再生劑與再生瀝青混合料直接接觸時，由于擴散機制，老化的瀝青容易迅速吸收再生劑中易擴散的烴類物質。

Carpenter 和Wolosick[4]經過研究發現，再生劑一般通過以下步驟擴散到老化的瀝青中：首先再生劑包圍在再生瀝青混合料中老化瀝青的周圍，其次再生劑從老化瀝青的外層向內層擴散，使再生瀝青混合料的內層黏度降低、外層黏度增加，最后經過一定時間后趨于均衡。整個擴散過程發生在拌和、施工和施工后的一段時間內。Ma 等[5]為了驗證這種擴散機制，使用三氯乙烯對再生瀝青混合料進行抽提，并對得到的內外層瀝青進行DSR 試驗，結果顯示再生瀝青外層的車轍因子遠小于內層的車轍因子，表明再生劑的擴散沒有達到平衡。為了估計何時達到平衡，Wang 等[6]利用圖像分析了再生瀝青混合料中的瀝青覆蓋區域和未覆蓋區域，結果表明：8 h 足以實現再生劑的最佳擴散。Oliver 和Nam Tran 等[7，8]分別研究了溫度和再生劑的添加順序對再生劑擴散速度的影響，結果表明：隨著拌和和壓實溫度的提高，再生劑的擴散速度逐漸加快；與向老化瀝青中加入再生劑相比，將再生劑直接與RAP 料進行混合預計會有更好的擴散效果。

2 再生劑的類型

目前研究最多的再生劑可分為石油類和植物油類兩大類，廢植物油、地溝油、廢機油等都可以當作再生劑來使用。鄭軍等[9]觀察到使用廢食用油作為再生劑可以有效降低瀝青中含氧官能團的含量，但是廢食用油酯化后形成了親水結構，導致再生瀝青比原始瀝青的水敏感性更高。張遙等[10]發現通過柑橘提取出來的色素、香精果膠、生物類黃酮等有機物中的飽和組分和芳香組分符合瀝青再生劑的成分要求，對瀝青混合料的再生有很大幫助。Yu 等[11]通過研究芳香提取物的再生作用，發現應用芳烴的再生瀝青比添加相同比例的植物油的再生瀝青的流變性能恢復率要低。

3 再生劑對瀝青和混合料性能的影響

由于再生瀝青和原始瀝青在一定溫度下的部分混合產生了非常復雜的瀝青體系，因此大多數情況下RAP 料的摻入對瀝青混合料的性能有不利影響。許多研究表明，含有RAP 料的瀝青混合料剛度較高，抗裂性能變差，更容易產生疲勞和開裂。Zhu 等[12]評價了不同RAP 料摻量的瀝青混合料的路用性能，結果表明：隨著RAP 料摻量的增加，瀝青混合料的低溫性能和抗疲勞性能逐漸降低。與普遍認為的相反，Pradyumna 等[13]發現使用20% 摻量的RAP 料可以改善瀝青混合料的疲勞性能，與對照組瀝青混合料相比，再生瀝青混合料的疲勞壽命平均提高了67.2%。

但是，也有研究認為RAP 料的摻入使再生瀝青混合料具有更好的抗剝離性和路面塑性變形抵抗力。由于RAP 料中的礦料已經涂上了一層瀝青，使得水很難在RAP 料中滲透，因此再生瀝青混合料比傳統的瀝青混合料更耐剝離。Mogawer 等[14]研究發現，40%RAP 料摻量的瀝青混合料比原始瀝青混合料具有更好的水穩定性。H Arshad 等[15]逐漸將RAP 料摻量從0%提高到100%，結果表明：馬歇爾穩定度隨RAP料含量線性增加，RAP 料摻量為100%的再生瀝青混合料的馬歇爾穩定度值比未加RAP 料的對照組提高了一倍。Kumari 等[16]研究發現，粗RAP 料和細RAP 料按照一定比例進行混合也可以線性提高馬歇爾穩定度。這表明選擇合適的RAP 料摻量是非常重要的，在保證再生瀝青混合料性能的前提下，可以節約成本和保護環境。

然而，為了實現RAP 料的大規模應用，又不影響瀝青混合料的性能，需要在RAP 料中添加再生劑來實現。由于再生劑可以改善瀝青的流動性，使瀝青形成更為穩定的膠體結構，因此加入再生劑后再生瀝青和瀝青混合料的路用性能相比之前有一定的提高。Mogawer 等[17]評價了三種不同的再生劑對高RAP 料摻量的瀝青混合料性能的影響，結果表明：再生瀝青混合料的疲勞性能相比于原始瀝青混合料有所改善，并且使用再生劑會導致瀝青混合料的空隙率降低，這是再生劑在瀝青中的擴散作用所引起的。此外，使用再生劑可以提高瀝青混合料的低溫抗裂性能，且對高溫性能和水穩定性影響不大。Kuang 等[18]研究了高芳香烴含量的輕質油（普通再生劑）與含極性化合物的復配油（復合再生劑）對老化瀝青的性能和微觀結構的影響，結果表明：通過瀝青與兩種再生劑之間的組分調合作用，再生劑可以有效地恢復老化瀝青的膠體結構，從而達到對嚴重老化瀝青再生的目的。但是，雖然普通再生劑能夠恢復老化瀝青的流變性能，效果卻遠低于復合再生劑。Mogawer 等[19]研究了三種再生劑在50%RAP 料摻量的瀝青混合料中的使用效果，研究結果表明：各種類型的再生劑對瀝青混合料的疲勞性能均有明顯的改善，再生瀝青混合料除了具有較好的疲勞性能外，還具有較低的強度、剛度和較高的蠕變速率。

4 結論與展望

瀝青路面的老化會引起瀝青混合料路用性能的降低，瀝青混合料再生技術已經逐步成為解決這一問題的有效方法。本文綜述了瀝青的再生機理、再生劑的作用機理以及RAP 料對瀝青混合料路用性能的影響，為進一步開展再生技術奠定了良好的基礎。基于對本文的回顧可以得出以下結論：

a）瀝青的再生是老化的逆過程，再生機理主要由組分調合理論和相溶性理論組成，從根本上都是對瀝青四組分之間定量關系的研究，以重新實現四組分的協調和平衡。

b）瀝青的再生，取決于再生劑在瀝青混合料中的分散和擴散過程，以及再生劑與瀝青的相容性。再生劑應適當地擴散到原始瀝青和老化瀝青中，并且均勻地分散在整個瀝青混合料中。除此之外，瀝青混合料的拌和和壓實溫度以及再生劑的添加順序都對擴散和分散速度有一定的影響。

c）與普通瀝青混合料相比，含有RAP 料的再生瀝青混合料的疲勞性能和低溫抗裂性能較差，并且隨著RAP 料摻量的增加，瀝青混合料的低溫性能和抗疲勞性能逐漸降低。而近年來各種再生劑被陸續研發，大部分再生劑可以有效改善老化瀝青的流變性能，并提高瀝青混合料的低溫性能和疲勞性能，因此再生劑是實現RAP 料大規模使用的有效途徑。